纖維增強復合材料在土木工程中的研究進展

雷運波， 冉 強， 張百樂， 李 貞

(健研檢測集團重慶有限公司，重慶 400020)

纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，FRP)誕生于20世紀中葉，是一種由纖維與樹脂共混并通過相關成型工藝制備而成的高性能復合材料，其具有輕質高強、耐久性好和可設計性強等優點[1]。根據纖維種類的不同，相關學者將FRP分為碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(Glass Fiber Reinforced Polymer，GFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer，BFRP)和芳綸纖維增強復合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer，AFRP)[2]。20世紀90年代，隨著技術的不斷創新和產業的蓬勃發展，FRP的制造成本也逐漸下降，其也從最初的僅供軍事設備使用，開始面向工業領域；近些年，學者們更是嘗試將FRP用于加固土木工程中的各類結構[3]。雖然目前國內外已有諸多學者對FRP在土木工程中的應用進行了相關研究，但都與實際工程應用相距甚遠[4]。本文簡要概述當前國內外FRP在土木工程中的研究進展，為其實際工程應用和未來研究方向提供參考。

1 國內外研究概況

1.1 國外研究概況

國外學者于20世紀中葉開始研究FRP在土木工程中的實際應用[5]。美國在20世紀60年代初期便利用GFRP加固混凝土結構；此后20年間，歐亞各發達國家連續將目光集中于FRP加固土木工程結構的領域，并為此投入了大量的科研人員與試驗儀器；在各國的長期努力下，對于FRP的研究取得了喜人的結果，同時也進一步證明了FRP在實際工程中應用的可行性[6-8]。20世紀末，日本關西地區發生了7.3級地震，在相關專家的建議下，救援施工人員利用FRP對災后的混凝土結構進行緊急加固，因其具有輕質高強、耐久性好和施工便捷等優勢，為搶險救人與災后重建爭取了寶貴的時間，同時也為FRP在土木工程領域的應用提供了實例支撐[9]。

為了進一步推廣FRP在土木工程領域的實際應用，各國開始著手制訂相關指標與規范[10]。20世紀90年代初期，美國混凝土協會為了研究FRP加固混凝土與砌體結構，特別成立了ACI440(American Certification Institute 440，ACI440)，并擬定了相關規范的草案；2年之后，在ACI440的努力下，第一屆國際FRP專題會議于加拿大順利舉辦，并規定該會議之后每2年舉辦一次[11]。1997年12月，歐洲各國啟動了《高性能纖維復合材料加固混凝土結構設計指南》項目[12]。20世紀末，由于FRP在震后救災搶險的優異表現，日本土木學會成立FRP加固委員會，并擬定了相關維修與加固規范的草案[13]。

1.2 國內研究概況

20世紀90年代中期，我國開始從歐美發達國家引進CFRP加固混凝土結構的相關技術，并同時組織有關專家學者開展FRP在土木工程其他結構中的加固研究，由于其顯著的加固優勢，對于FRP的相關研究在較短的時間內便成為了行業熱點[14]。目前我國已經對FRP在土木工程領域的應用進行了大量的研究與實踐工作，并取得傲人的成果；在理論研究方面，我國學者結合當前實際國情對于FRP的設計標準、加固機理和規范指標等多個方面開展研究；在工程實踐方面，我國已完成上千項FRP加固工程，且其應用表現與服役年限均令人滿意[15]。隨著FRP在我國土木工程中廣泛應用，有關部門開始組織有關專家學者編寫適應我國實際情況的相關指標與規范，使FRP今后能夠更好在我國土木工程中得到推廣應用。我國工程建設標準化協會所制定的《碳纖維布加固修復混凝土結構技術規程》在實際工程中已經開始應用并起到了良好的指導作用，同時其他各類FRP的產品標準和有關規范都在草擬中[16-18]。目前FRP加固土木工程中的各類結構已在我國逐漸推廣，并正在步入高速發展階段。

2 纖維增強復合材料加固優勢

2.1 輕質高強

FRP是典型的輕質高強材料，具有極高的比強度。一塊重量僅為普通鋼材25%左右的FRP，其抗拉強度卻是鋼材的10倍左右，同時，由于FRP輕質的特點，其運輸成本遠遠低于傳統材料。實際工程中若使用FRP作為結構加固用材，其不會因為自重過大而給加固結構帶來額外的荷載作用，同時FRP超高的強度又為結構的正常使用提供了有效的保障。

2.2 耐久性好

隨著社會的不斷發展與進步，各類工程結構的服役環境是越發復雜多變，同時人們對于其耐久性要求也是日益提高。在惡劣條件下(如高溫、酸雨和海水等)，傳統材料耐久性較差，隨服役時間的增加，強度明顯下降，繼而大大增加工程的養護成本，同時也帶來了一定程度的安全隱患。目前市面上所使用的大部分FRP的耐久性遠優于傳統材料，有關試驗研究證明，在模擬海洋腐蝕的實驗環境中，FRP服役2 萬h后強度仍舊未發生較大變化，同時在美國平洋海岸，FRP修改加固被海水嚴重腐蝕破壞的混凝土結構，在服役10余年后，各項性能指標與結構整體性依舊保持良好[19]。故在土木工程中的各類結構使用FRP不僅能夠有效地降低維護成本，同時也能為結構的長期安全服役提供保障。

2.3 可設計性強

各類纖維材料的性能也各不相同，如碳纖維具有良好的剛強度與耐久性，但延展性較差且價格高昂；玄武巖纖維低碳環保，同時具有良好的延展性與耐候性，但彈性模量偏低；玻璃纖維成本較低，但耐候性與彈性模量均較差；芳綸纖維具有優異的抗沖擊性，但易蠕變且耐候性較差[20]。故可將不同纖維材料復合設計實現性能互補，也可根據實際工程需求設計適宜的高性能復合材料。同時，相關成型工藝不斷進步和成熟，也使得FRP的制作成型更加方便。在實際工程中，廠家可根據用戶的需求對FRP的性能和形狀進行靈活的設計。

2.4 施工便捷

與傳統加固材料相比，FRP是柔性材料，在實際施工過程中，即使需要加固的結構表面略有不平，也可以保證較高的施工效率，同時前期準備工作較少，施工無需現場固定與大型設備，施工占用場地少。同時其施工工具與工序均較為簡單，施工噪音小，且施工后發現局部缺陷也易于修補。

3 纖維增強復合材料加固結構

3.1 加固砌體結構

3.1.1 CFRP加固砌體結構

美國、加拿大和日本等發達國家最早開始研究CFRP加固砌體結構，我國于20世紀末引進并研究。韋昌芹等[21]率先提出CFRP加固砌體結構的應力應變計算公式，并設計了2種不同方案驗證試驗，最終試驗所得數據與公式運算結果高度吻合，進而推斷出CFRP加固砌體結構具有可行性。張明杰等[22]為研究CFRP加固開裂砌體結構的抗震性能，進行了一系列的模擬地震振動臺試驗，試驗結果表明CFRP能夠有效提高砌體結構的抗震性能。楊曌等[23]通過擬靜力試驗研究，分析試件的破壞形態、滯回曲線和延性系數等抗震性能指標，來研究CFRP加固砌體結構的抗震性能，從而得出了CFRP加固砌體結構有較好的抗震性能，為CFRP加固砌體結構的后續研究提供了可靠的數據。

3.1.2 BFRP加固砌體結構

張斯等[24]通過模擬靜力試驗研究BFRP加固砌體構件的抗震性能，試驗結果表明BFRP能改變砌體結構的破壞形態，同時能夠有效減緩裂縫的擴張，從而提升結構的抗震性能。趙少偉等[25]利用低周反復荷載試驗研究BFRP加固后砌體結構的各項性能，結果表明BFRP能夠有效改善結構的耗能能力，同時提升砌體的變形、抗震和抗剪等能力，繼而延緩其剛度退化。

3.1.3 GFRP加固砌體結構

劉驥夫[26]通過室內試驗研究GFRP加固磚砌體結構的應力情況，并此基礎上提出合理假設，建立相關的有限元模型，結合試驗數據與數學建模分析研究不同荷載下砌體結構的應力應變分布規律。熊雅格[27]通過磚柱抗壓試驗與砌體通縫抗剪試驗來研究GFRP加固磚砌體結構的單調加載問題，并利用有限元分析軟件進行模擬分析，結果表明GFRP可以很好地提高砌體結構整體抗剪強度，使裂縫緩慢擴展，防止突然性破壞。

3.2 加固混凝土結構

3.2.1 CFRP加固混凝土結構

嚴志亮[28]通過一系列試驗對CFRP 加固混凝土結構的耐候性進行來研究，結果表明在酸性環境中，結構的延性會明顯下降，但其彈性模量變化不大；在潮濕環境中，結構的開裂荷載與極限荷載會有輕微的下降，但依舊遠高于傳統材料加固后的結構。李春霞[29]從結構彎承載應力出發，研究不同荷載下CFRP加固前后混凝土結構的應力應變，推導出更加適合實際工程需求的滯后應變簡化公式，并在此基礎之上，提出了以界限配布率為指標的CFRP用量設計公式。梁金福[30]在原有試驗研究的基礎上引入數學模型，采用數值模擬與室內試驗相結合的方法進一步研究分析CFRP加固混凝土梁結構的破壞機理。劉堯遙[31]利用有限元分析軟件對CFRP嵌入式加固混凝土梁的力學特性進行數值模擬分析，同時設計室內試驗進行驗證，發現二者數據高度一致。

3.2.2 AFRP加固混凝土結構

官保華[32]為解決AFRP加固混凝土結構在有限元模擬軟件中界面處理與分析收斂兩大難題，提出在現有界面分析模型的基礎上，引入微平面模型，并利用模擬軟件中的二次開發工具，編寫完成了微平面本構程序，但遺憾的是并沒有通過相關的試驗進行驗證。邵士萍[33]為研究不同層數的AFRP的加固效果，以混凝土梁作為試驗研究對象進行了一系列的相關試驗，并在此基礎上利用相關模擬算法分析研究結構應力應變在不同荷載組合下的變化規律。

3.2.3 BFRP加固混凝土結構

高曉楠[34]對不同溫度下的CFRP與BFRP加固混凝土結構分別進行了室內試驗，并將試驗數據進行非線性有限元分析，結果表明在相同溫度下，BFRP的延伸性相對較好，CFRP的拉伸強度和彈性模量則相對較好。許向南[35]通過試驗得出BFRP可提升被加固混凝土連續梁的極限荷載，并利用有限元分析軟件進行數值模擬，由此推導出BFRP加固后混凝土連續梁的抗彎承載力公式與剛度公式。

3.3 加固鋼結構

3.3.1 CFRP加固鋼結構

鈕鵬[36]通過大量的理論與試驗研究，推導出CFRP加固H型鋼結構的極限荷載公式，并建立模型進行模擬，最終模擬結果與公式運算結果高度一致，為后續荷載問題的進一步研究提供了理論依據。袁菁穎[37]進行了CFRP加固H型鋼梁的試驗研究，并進行了ABAQUS數值模擬，相關試驗結果對后續實際工程設計具有較大的指導意義。蔣興笠[38]從物理化學性質出發，通過微觀特性研究分析CFRP加固鋼結構的相關作用機理與潛在破壞形式，繼而總結整理出設計規范標準，并推導出CFRP加固鋼結構的界面應力計算公式。王旭[39]利用ANSYS對CFRP加固鋼結構的界面黏結應力分布進行了數值模擬，并分析了其應力應變的分布規律。

3.3.2 GFRP加固鋼結構

張卉[40]為研究GFRP加固鋼結構的受力情況，進行了大量的有關試驗，最終發現得到的結果具有一定的規律性，為其后續的試驗研究與工程應用指引了方向，也為制訂相關技術指標與規范提供了數據。李娟[41]為研究GFRP加固鋼結構的剝離應力，通過一系列的室內試驗分析其黏結機理，在此基礎上提出黏結強度和界面剝離應力的理論公式，經試驗研究與數值模擬相結合得出GFRP能有效提升鋼結構的極限剝離應力，同時其整體強度與荷載能力均有所增強。

4 總結

經相關試驗研究與工程實踐證明，相較于傳統的工程結構加固材料，FRP在施工成本、使用壽命與后期維護等方面具有明顯優勢。西方國家對與FRP在土木工程中的研究和應用較早, 并制定了相關的技術規范及準則；我國對其研究雖然起步相對較晚，但國內學者經過不斷探索和試驗，在借鑒國外成功經驗的基礎上，結合自身實際情況，逐步形成了適用于國內的FRP加固技術，但是適合我國國情的FRP加固技術指標與規范仍有待進一步研究和完善。